外加Cd處理下不同作物品種Cd吸收與分配的基因型差異

鄭艷梅 ，扈新瑩，陳　喜，史　靜

(1.昆明市民辦科技機(jī)構(gòu)管理處，云南 昆明 650041；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明長(zhǎng)水國(guó)際機(jī)場(chǎng)動(dòng)力能源部，云南 昆明 650201)

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外加Cd處理下不同作物品種Cd吸收與分配的基因型差異

鄭艷梅1，扈新瑩2，陳喜2，史靜1

(1.昆明市民辦科技機(jī)構(gòu)管理處，云南 昆明 650041；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明長(zhǎng)水國(guó)際機(jī)場(chǎng)動(dòng)力能源部，云南 昆明 650201)

采用溶液培養(yǎng)法，研究了Cd脅迫下16種云南主栽作物的Cd分配、累積以及根部和地上部對(duì)Cd的富集之間的相關(guān)性。結(jié)果表明：供試作物地上部和根部的Cd含量與溶液中的Cd含量密切相關(guān)，供試作物之間對(duì)Cd的耐性差異明顯。高濃度Cd處理抑制供試作物的生長(zhǎng)，其根系能夠大量富集Cd。不同供試作物類型對(duì)Cd的富集存在差異，各供試作物類型之間對(duì)Cd的富集從高到低為烤煙>蔬菜類>油料類>禾谷類，各供試作物品種之間又存在明顯的種間差異。低濃度Cd處理5μmol/L時(shí)，蔬菜類作物4號(hào)作物魯春白(白菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.31mg/kg，油料作物15號(hào)作物花油6號(hào)(油菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.30mg/kg，禾谷類作物10號(hào)作物云選11-12(小麥)地上部分最低Cd的富集濃度為0.23mg/kg，符合Cd在食品中的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，因此上述3種作物在低濃度Cd脅迫下表現(xiàn)出低富集能力，為低Cd污染土壤的安全高效利用提供了依據(jù)。

鎘處理；作物品種；吸收與分配；基因型差異

0　引言

土壤重金屬污染問(wèn)題是當(dāng)今土壤科學(xué)與環(huán)境科學(xué)研究的焦點(diǎn)之一，其中重金屬元素鎘(Cadmium, Cd)是污染面積最大、在人類活動(dòng)影響下、在地表環(huán)境中釋放和在土壤-作物-人體食物鏈中遷移較為活躍的元素，對(duì)動(dòng)植物和人類具有較大毒性[1]。我國(guó)農(nóng)田土壤環(huán)境中Cd的全量和有效態(tài)含量不斷升高[2]，農(nóng)田Cd污染問(wèn)題嚴(yán)峻，有研究指出全國(guó)Cd污染比較嚴(yán)重的農(nóng)田面積可能達(dá)13.3萬(wàn)hm2[3]。當(dāng)前，我國(guó)土壤重金屬污染及由此引發(fā)的蔬菜安全問(wèn)題較為嚴(yán)重[4]，目前與礦產(chǎn)資源相關(guān)的工業(yè)活動(dòng)及污灌等活動(dòng)已經(jīng)導(dǎo)致干旱區(qū)綠洲土壤出現(xiàn)了不同程度的Cd-Zn 污染，近年來(lái)Pb亦隨著許多工業(yè)活動(dòng)不斷進(jìn)入土壤[5.6]。而在我國(guó)人多地少耕地資源相對(duì)不足的前提下，進(jìn)行農(nóng)田土壤Cd污染修復(fù)，徹底改變污染耕地的利用屬性不具備現(xiàn)實(shí)可行性。

Cd 是生物遷移性很強(qiáng)的元素，極易被植物吸收并積累，超過(guò)一定限度不僅嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，且會(huì)通過(guò)食物鏈富集危害人體健康。人類對(duì)重金屬Cd的吸收途徑主要以土壤-作物-食品-人體遷移為主[7]，由于Cd毒害的機(jī)制是漸進(jìn)性地干擾體內(nèi)腎代謝功能和骨骼形成，即使是低劑量的水平下，長(zhǎng)期的暴露對(duì)人類健康也有嚴(yán)重的威脅。因而生長(zhǎng)于土壤中的農(nóng)產(chǎn)品中的Cd水平直接影響到人類健康。

植物對(duì)Cd的吸收積累存在種內(nèi)和種間差異已得到越來(lái)越多的證實(shí)。植物對(duì)Cd脅迫的耐受性和Cd在植物體內(nèi)的累積性都存在明顯的種間和種內(nèi)差異[8-10]。因此導(dǎo)致植物生物量顯著降低的環(huán)境或植物體內(nèi)Cd的臨界值在不同物種或品種間存在很大差異；同樣，在環(huán)境Cd濃度相同的情況下，不同物種或品種植體內(nèi)的Cd含量也會(huì)有很大差異。據(jù)Clarke等報(bào)道，一些作物，如玉米、普通小麥、硬粒小麥等作物籽粒中的Cd含量都具有遺傳變異現(xiàn)象。還發(fā)現(xiàn)硬粒小麥籽粒Cd含量主要受單基因控制，低Cd含量為顯性，因此很容易在育種中進(jìn)行遺傳操縱。水稻的品種及基因型對(duì)Cd在土壤-稻米的遷移具有重要的影響。

在我國(guó)人多地少耕地資源相對(duì)不足的前提下，進(jìn)行農(nóng)田土壤Cd污染修復(fù)，徹底改變污染耕地的利用屬性不具備現(xiàn)實(shí)可行性，農(nóng)田Cd污染土壤的處理應(yīng)采用農(nóng)業(yè)生態(tài)整治與安全高效利用策略[3]。工作思路為將農(nóng)田輕度Cd污染土壤作為一種特殊農(nóng)業(yè)資源，通過(guò)利用耐污染力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的作物，取代污染敏感作物，在污染農(nóng)區(qū)構(gòu)造新的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，使污染土地資源在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域重新獲得安全而高效益的利用。

本研究對(duì)云南省農(nóng)田栽培的主要作物的耐Cd污染性能進(jìn)行分析，篩選出對(duì)土壤Cd吸收量少或向可食部分分配比例低的作物品種，提出Cd污染農(nóng)田土壤上Cd低累積品種選育的重要性，以期為Cd污染農(nóng)區(qū)合理調(diào)整種植制度，建立抗污染的高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料培養(yǎng)

供試種子選取云南省農(nóng)田主栽作物品種。作物類型主要包括蔬菜作物(生菜、白菜)、禾谷類作物(水稻、麥類、玉米)、油料作物(油菜、大豆)等。具體供試作物品種編號(hào)見(jiàn)表1。

表1　作物品種及編號(hào)

將供試種子先用清水浸種2h，然后再用50%的多菌靈800倍液浸泡20min，用清水沖洗3次。用自來(lái)水浸種24h后，于25℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽。待種子露白，挑選出芽一致的種子，用鑷子小心地移入裝有基質(zhì)的育苗盤中。向盤中撒清水，并將育苗盤放入自來(lái)水中靜置2d。將育苗盤移入含Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的20L容器中。Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的組成為1mol/L Ca(NO3)2、1mol/L KNO3、1mol/L MgSO4·7H2O、1mol/L KH2PO4、1mol/L Fe-EDTA、1mol/L H3BO3、1mol/L CuSO4·5H2O、1mol/L ZnSO4·7H2O、1mol/L MnCl2·4H2O、H2MnO4·H2O。培養(yǎng)7d后，分別進(jìn)行不同濃度的Cd處理。Cd的濃度設(shè)置為：0、5、10、25、50μmol/L。含Cd的營(yíng)養(yǎng)液用0.1mol/L NaOH和0.1mol/L HCl 調(diào)節(jié)pH至5.5～6.5。每天進(jìn)行攪動(dòng)充氧，每3d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。

1.2測(cè)試方法

供試作物中Cd的含量測(cè)定：將供試作物的地上部和根部分開(kāi)取樣，先用自來(lái)水清洗，再用超純水清洗3次，105℃殺青20min，60℃烘干，用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎，過(guò)0.25mm尼龍篩。用HNO3-HClO4混合液消解煮。用火焰原子吸收光譜儀測(cè)定地上部和根系的Cd含量。原子吸收分光光度計(jì)為AA1700型原子吸收分光光度計(jì)。

2　結(jié)果與討論

2.1不同濃度Cd脅迫下不同類型供試作物對(duì)Cd的積累

不同濃度Cd脅迫下不同作物類型對(duì)Cd的累積量情況見(jiàn)圖1～圖5。可見(jiàn)，隨著Cd添加濃度的升高，供試作物體內(nèi)Cd的積累量均有不同程度增大，但在50μmol/L Cd溶液的處理下，由于生物量大幅度減小，積累量也降低。同時(shí)，根部Cd的積累量顯著高于地上部Cd的積累量，這說(shuō)明供試作物對(duì)Cd的吸收具有生物屏障的作用，一般認(rèn)為重金屬耐性品種更多地將重金屬儲(chǔ)存在根部，而敏感性品種則將重金屬運(yùn)輸?shù)降厣喜縖7]。因此可以看出，供試品種多為耐Cd性作物。

不同濃度Cd處理下，Cd的累積量在不同的作物類型之間差異明顯。地上部分蔬菜類Cd的積累量在0.05～76.26μg/株，禾谷類Cd的積累量在0.04～40.33μg/株，油料作物及烤煙Cd的積累量在0.06～109.96μg/株，因此，在不同作物類型之間，禾谷類作物地上部分Cd的累積量最低，是最耐Cd的作物類型。

在禾谷類作物中，高濃度Cd處理下作物地上部分Cd的積累量在14.9～40.33μg/株，因此對(duì)Cd的積累存在明顯的種間差異。5號(hào)作物滬糯88(玉米)在高濃度Cd處理下，Cd的積累量為14.9μg/株，是最耐Cd的作物品種。

2.2不同濃度Cd處理在各供試作物體內(nèi)的分配效應(yīng)

在不同的Cd處理濃度下，各供試作物的地上部和根部的Cd大量富集。從圖6～圖8可以看出，各供試作物的根系可以富集大量的Cd，且富集量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地上部的富集量。這個(gè)結(jié)果與對(duì)3種農(nóng)作物中鎘積累的研究結(jié)果一致[11]。各供試作物各部分的Cd含量與溶液中Cd的添加濃度密切相關(guān)。由于Cd在不同作物體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率及分布特征不同，由圖6～圖8可知，不同作物類型單位組織對(duì)Cd的吸收量的吸收順序?yàn)椋汉坦阮?油料類<蔬菜類。

具體到各種作物類型來(lái)看，蔬菜類作物在低Cd處理濃度5μmol/L時(shí)，4號(hào)作物魯春白(白菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.31mg/kg，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，為食用及種植安全作物。禾谷類作物在低Cd處理濃度5μmol/L時(shí)，10號(hào)作物云選11-12(小麥)地上部分最低Cd的富集濃度為0.23mg/kg，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，為食用及種植安全作物。油料作物及烤煙在低Cd處理濃度5μmol/L時(shí)，15號(hào)作物花油6號(hào)(油菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.30mg/kg，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，為食用及種植安全作物。

2.3供試作物地上部分吸收量和根部吸收量之間的相關(guān)性

圖9是供試作物地上部含Cd量和根部含Cd量的相關(guān)性分析。圖中可以看出各供試作物地上部的Cd富集量和根部的Cd富集量呈顯著正相關(guān)，隨著Cd處理濃度的增加，各供試作物的地上部和根部的Cd富集量也隨之呈明顯上升趨勢(shì)，顯著性明顯。

3　結(jié)論

(1)供試作物均為重金屬Cd的耐性植物，根部能富集大量的Cd，高濃度Cd脅迫下，根部Cd含量最高可達(dá)16.87mg/kg，最低達(dá)0.93mg/kg，其地上部和根部的Cd的富集量均隨著Cd處理濃度的增加而上升，并呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。隨著Cd處理濃度的增加，地上部和根部的生長(zhǎng)均受到抑制，生物量都有不同程度的減少。

(2)供試作物之間的種間差異表現(xiàn)明顯，總體來(lái)說(shuō)在高濃度Cd溶液的脅迫下，各供試作物類型之間的抗性對(duì)比結(jié)果為烤煙>蔬菜類>油料類>禾谷類，而各作物類型之間又分別有烤煙品種云煙87、蔬菜類作物意大利生菜F1、禾谷類作物水稻滇雜42以及油料作物蠶豆云豆8號(hào)在高濃度Cd溶液的脅迫下，依然表現(xiàn)出良好的抗性。

(3)供試作物地上部和根部的Cd含量與溶液中的Cd含量密切相關(guān)。溶液中Cd含量從5μmol/L增加到50μmol/L，地上部和根部的Cd含量隨之增加，達(dá)到了顯著水平，但處理間顯著性不同。根部Cd含量極顯著高于地上部，可見(jiàn)，根部對(duì)Cd的積累能力最強(qiáng)。在試驗(yàn)中植株莖葉和根系Cd含量的高度相關(guān)性也說(shuō)明了植株的不同部分的Cd積累特性是可以再現(xiàn)的。

(4)Cd在食品中的國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)為0.5mg/kg，檢出的低濃度Cd處理5μmol/L時(shí)，蔬菜類作物4號(hào)作物魯春白(白菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.31 mg/kg，油料作物15號(hào)作物花油6號(hào)(油菜)地上部分最低Cd的富集濃度為0.30mg/kg，禾谷類作物10號(hào)作物云選11-12(小麥)地上部分最低Cd的富集濃度為0.23 mg/kg，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此這3種供試作物均為食用及種植安全作物品種。在輕度Cd污染的土壤上可以考慮種植抗性最佳的3種作物。

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The Genotypic Differences in Cd Absorption and Distribution to Different Crops

ZHENG Yan-mei1, HU Xin-ying2,CHEN Xi2,SHI Jing1

(1.Kunming Municipal Management Office of Private Science and Technology Institution，KunmingYunnan 650041,China)

This paper studied the biomass, distribution, accumulation, and correlation analysis of Cd in shoots and roots of sixteen Yunnan's main crops by adding different concentration of Cd in the hydroponic culture. The results showed that Cd concentration in shoots and roots closely related to Cd. The tolerance of Cd was different in crops. High concentrations of Cd inhibited the crops from growing, and the root system was enriched abundant of Cd. Different cultivars absorbed different amount of Cd. The results showed that the ability of Cd accumulation in different cultivars was: tobaccos>vegetable crops>oil corps>cereal crops. The obvious differences between species were found. The minimum concentration of the number 4 crop was 0.31mg/Kg. The number 15 crop was 0.30mg/kg. The number 10 crop was 0.23mg/kg. The accumulation of Cd of these crops met the national food safety standards. Therefore, the above three crops were the strongest Cd tolerant crops in low Cd concentration.

cadmium; crop; uptake and distribution; genotypic difference

2015-12-31

國(guó)家自然科學(xué)基金 (41301349)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目 (2013FB043)。

史靜(1980-)，女，博士，副教授，主要從事土壤-植物體系重金屬遷移方面的研究。

X171

A

1673-9655(2016)05-0001-05